collinearity
[notes.git] / spec / vectors.md
index 8fa7208311c7603d8b338f3cfbb4e7dfeed9c728..db6598373fc53fe2f011284825156c99d00539e8 100644 (file)
@@ -1,11 +1,16 @@
 ---
+geometry: margin=2cm
+<!-- columns: 2 -->
+graphics: yes
+tables: yes
+author: Andrew Lorimer
+classoption: twocolumn
 header-includes:
-  - \documentclass{standalone}
-  - \usepackage{cleveref}
-  - \usepackage{harpoon}
-  - \usepackage{accent}
-  - \usepackage{amsmath}
-...
+- \usepackage{harpoon}
+- \usepackage{amsmath}
+- \pagenumbering{gobble}
+
+---
 
 # Vectors
 
@@ -46,13 +51,18 @@ Parallel vectors have same direction or opposite direction.
 
 Vectors may describe a position relative to $O$.
 
-For a point $A$, the position vector is $\boldsymbol{OA}$
+For a point $A$, the position vector is $\overrightharp{OA}$
+
+\vfill\eject
 
 ## Linear combinations of non-parallel vectors
 
 If two non-zero vectors $\boldsymbol{a}$ and $\boldsymbol{b}$ are not parallel, then:
 
-$$m\boldsymbol{a} + n\boldsymbol{b} = p \boldsymbol{a} + q \boldsymbol{b}\quad\text{implies}\quad m = p, \> n = q$$
+$$m\boldsymbol{a} + n\boldsymbol{b} = p \boldsymbol{a} + q \boldsymbol{b}\quad \therefore \quad m = p, \> n = q$$
+
+![](graphics/parallelogram-vectors.jpg){#id .class width=20%}
+![](graphics/vector-subtraction.jpg){#id .class width=10%}
 
 ## Column vector notation
 
@@ -87,6 +97,23 @@ Produces a real number, not a vector.
 
 $$\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{a} = |\boldsymbol{a}|^2$$
 
+**on CAS:** `dotP([a b c], [d e f])`
+
+## Scalar product properties
+
+1. $k(\boldsymbol{a\cdot b})=(k\boldsymbol{a})\cdot \boldsymbol{b}=\boldsymbol{a}\cdot (k{b})$
+2. $\boldsymbol{a \cdot 0}=0$
+3. $\boldsymbol{a \cdot (b + c)}=\boldsymbol{a \cdot b + a \cdot c}$
+4. $\boldsymbol{i \cdot i} = \boldsymbol{j \cdot j} = \boldsymbol{k \cdot k}= 1$
+5. If $\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b} = 0$, $\boldsymbol{a}$ and $\boldsymbol{b}$ are perpendicular
+6. $\boldsymbol{a \cdot a} = |\boldsymbol{a}|^2 = a^2$
+
+For parallel vectors $\boldsymbol{a}$ and $\boldsymbol{b}$:  
+$$\boldsymbol{a \cdot b}=\begin{cases}
+|\boldsymbol{a}||\boldsymbol{b}| \hspace{2.8em} \text{if same direction}\\
+-|\boldsymbol{a}||\boldsymbol{b}| \hspace{2em} \text{if opposite directions}
+\end{cases}$$
+
 ## Geometric scalar products
 
 $$\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b} = |\boldsymbol{a}| |\boldsymbol{b}| \cos \theta$$
@@ -99,8 +126,12 @@ If $\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b} = 0$, then $\boldsymbol{a} \perp \boldsy
 
 ## Finding angle between vectors
 
+**positive direction**
+
 $$\cos \theta = {{\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b}} \over {|\boldsymbol{a}| |\boldsymbol{b}|}} = {{a_1 b_1 + a_2 b_2} \over {|\boldsymbol{a}| |\boldsymbol{b}|}}$$
 
+**on CAS:** `angle([a b c], [a b c])` (Action -> Vector -> Angle)
+
 
 ## Vector projections
 
@@ -108,10 +139,12 @@ Vector resolute of $\boldsymbol{a}$ in direction of $\boldsymbol{b}$ is magnitud
 
 $$\boldsymbol{u}={{\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}}\over |\boldsymbol{b}|^2}\boldsymbol{b}=\left({\boldsymbol{a}\cdot{\boldsymbol{b} \over |\boldsymbol{b}|}}\right)\left({\boldsymbol{b} \over |\boldsymbol{b}|}\right)=(\boldsymbol{a} \cdot \hat{\boldsymbol{b}})\hat{\boldsymbol{b}}$$
 
+Scalar resolute of $\vec{a}$ on $\vec{b} = |\vec{u}| = \vec{a} \cdot \hat{\vec{b}}$
+
 ## Vector proofs
 
 **Concurrent lines -** $\ge$ 3 lines intersect at a single point  
-**Collinear points -** $\ge$ 3 points lie on the same line
+**Collinear points -** $\ge$ 3 points lie on the same line ($\implies \vec{OC} = \lambda \vec{OA} + \mu \vec{OB}$ where $\lambda + \mu = 1$. If $C$ is between $\vec{AB}$, then $0 \lt \mu \lt 1$)
 
 Useful vector properties:
 
@@ -120,6 +153,30 @@ Useful vector properties:
 - Two vectors $\boldsymbol{a}$ and $\boldsymbol{b}$ are perpendicular if $\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{b}=0$
 - $\boldsymbol{a} \cdot \boldsymbol{a} = |\boldsymbol{a}|^2$
 
+## Linear dependence
+
+Vectors $\vec{a}, \vec{b}, \vec{c}$ are linearly dependent if they are non-parallel and:
+
+$$k\vec{a}+l\vec{b}+m\vec{c} = 0$$
+$$\therefore \vec{c} = m\vec{a} + n\vec{b} \quad \text{(simultaneous)}$$
+
+$\vec{a}, \vec{b},$ and $\vec{c}$ are linearly independent if no vector in the set is expressible as a linear combination of other vectors in set, or if they are parallel.
+
+Vector $\vec{w}$ is a linear combination of vectors $\vec{v_1}, \vec{v_2}, \vec{v_3}$
+
+## Three-dimensional vectors
+
+Right-hand rule for axes - $z$ is up or out of page.
+
+## Angle between vector and axis
+
+Direction of a vector can be given by the angles it makes with $\vec{i}, \vec{j}, \vec{k}$ directions.
+
+For $\vec{a} = a_1 \vec{i} + a_2 \vec{j} + a_3 \vec{k}$ which makes angles $\alpha, \beta, \gamma$ with positive direction of $x, y, z$ axes:
+$$\cos \alpha = {a_1 \over |\vec{a}|}, \quad \cos \beta = {a_2 \over |\vec{a}|}, \quad \cos \gamma = {a_3 \over |\vec{a}|}$$
 
+**on CAS:** `angle([a b c], [1 0 0])` for angle between $a\vec{i} + b\vec{j} + c\vec{k}$ and $x$-axis
 
+## Collinearity
 
+Points $A, B, C$ are collinear iff $\vec{AC}=m\vec{AB} \text{ where } m \ne 0$